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풍력발전기용 대형단조품 소재기술(3)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(16)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

韓 풍력, 정부 지속 지원·관심 절실



■ 풍력발전산업 및 풍력시장 동향

1) 국내 시장규모 및 전망

국내풍력발전 규모는 2008년 기준 278MW 정도였고 2015년 말 기준으로 겨우 1GW를 넘어섰다. 해상풍력발전의 경우 정부는 세계의 흐름에 발맞추어 2010년 11월에 서남해안 대규모 해상풍력단지 건설 추진을 위한 해상풍력 추진 로드맵을 발표하였다. 100MW 실증단지를 시작으로 2019년까지 총 2.5GW 규모의 해상풍력발전단지를 건설할 계획을 세우고 초기 8개 국내풍력발전시스템사(이하 국내풍력발전사) 참여 및 SPC 설립 등으로 꿈이 실현되는 것처럼 보였다. 하지만 여러 가지 난관에 부딪혀 수차례 계획이 수정 및 축소되었고 본 사업에 참여 의사를 계속적으로 밝힌 국내풍력발전사(社)도 현재 1~2개로 줄어든 상황이다. 국내 해상풍력에 대한 기술 관심도는 2008년을 전후하여 꾸준히 증가하고 있지만, 아직까지 기반기술 개발에 치우쳐 있다. 풍력발전기는 우리나라의 경우 대개 750kW 이하(중소형), 750kW~1.5MW급(중형), 1.5~3MW급(준대형), 3~5MW급(대형), 5MW급 이상(초대형) 등 용량별로 구분(나라마다 상이)하기도 하는데 2012년에 접어들면서 750kW급 이하 시스템 시장은 거의 없고, 1.5MW급 이하의 풍력발전시스템 시장점유율 역시 대폭 감소했다. 그 이후 현재까지 1.5~2.5MW급의 준대형 시장점유율이 가장 높게 나타나고 있으나, 향후 시장 성장률이 점차 정체 및 감소할 것으로 전망된다. 반면 3MW급 이상의 대형풍력발전기의 경우, 현재 시장 점유율은 상대적으로 낮지만 급속한 시장성장이 이루어지고 있어 2020년을 전후하여 3MW급 풍력발전기가 해상풍력 시장의 주도할 것으로 예상된다. 한편 초기 투자비용이 많이 발생하는 해상풍력발전의 특성상 5MW급 이상 초대형 해상풍력시스템 개발을 통해 발전단가를 낮추려는 노력이 이루어지고 있으며 장기적으로 기술발전 및 인프라 구축을 통해 5~10MW급 제품이 해상풍력시장의 주력제품이 될 것으로 전망된다. 육상용 풍력발전기의 경우, 대부분의 국내 풍력발전사는 1~2MW급의 풍력발전시스템의 기술 선진화를 통해 경쟁력을 강화하고 있다. 해상용 풍력발전기의 경우, 두산중공업, 효성 등이 각각 3MW 및 5MW급을 주력으로 하고 있으며, 대용량 풍력발전기 개발을 통해 해상풍력 시장을 선점하기 위해 노력하고 있다. 하지만 중국과의 가격경쟁력 약화 및 선진 풍력발전 국가와의 품질 차이가 존재하여 해외시장 진입이 어려운 실정이다.

2) 국내 기업현황

국내 주요 풍력발전사 중 유니슨은 2008년 750kW 풍력발전기 국제인증을 획득하였고, 2MW급과 더불어 시스템 위주 기술개발과 실증, 상업운전실적 확보를 통해 상용화되고 있다. 두산중공업을 중심으로 해상·육상겸용 3MW 풍력발전기가 실증 단계에, 5MW급 시스템은 효성, 현대중공업 중심으로 기술개발단계에, 7MW급 시스템은 서해안 해상풍력단지 실증단지 건설과 때를 맞추어 삼성중공업, STX 및 대우조선해양 등에서 개발을 추진하다가 2014년 이후 답보 혹은 개발을 포기한 상황이다. 즉, 최근 들어 두산중공업, 효성 및 유니슨을 제외하면 풍력발전시스템 개발 및 상용화에 적극성을 보이는 기업체가 격감 및 사업 중단 상황이다.

국내 풍력발전사의 격변 상황 속에 중소·중견기업 중심으로 타워 플랜지(tower flange), 메인 샤프트(main shaft), 요 베어링(yaw bearing) 등 핵심요소 부품에 대해 독자적인 상용화 혹은 정부지원 연구과제를 통한 제조개발 등을 통해 국내 풍력발전기 활성화에 일정 부분 이바지했다. 메인 샤프트의 경우, 3MW급 제품은 이미 (주)태웅 등에서 양산 중이다. 3MW급 이하 메인 샤프트의 경우 선진국 대비 제조기술력은 90% 이상으로 세계적인 수준이지만, 부품소재개발 및 경량화를 위한 설계기술력은 2~5년의 기술격차가 존재한다. 현재 3MW급 경량 메인 샤프트 제조기술력을 갖춘 국내 자유단조 업체를 포함하여 풍력 단조 소재의 경우, 세계시장을 선도하며 기술력 및 가격경쟁력 우위를 확보하고 있다. 그러나 해외 선진업체 기술을 답습하거나 주문받아 생산하는 수준이며 독자적인 제품 개발을 통한 설계기술력은 전혀 없는 실정이다. 또한, 풍력발전기의 핵심부품 중에 기어 박스(gear box), 메인 베어링(main bearing) 등은 아직 상용화가 되지 않았다. 2008년부터 (주)태웅, 현진소재, 용현BM, 마이스코 등 단조 업체들이 풍력발전 성장에 따른 수혜를 보다가 2012~2014년에 풍력발전경기의 급격한 침체 및 과대 경쟁 등을 통해 어려운 시기를 겪었다. 하지만, (주)태웅의 경우, 직경 9,500mm 형상 링 부품 제조가 가능한 세계최대급 링 롤링 밀(Ring rolling mill) 및 1만 5천 톤 프레스(Press) 설비 등의 보유 및 독보적인 생산기술력을 통해 메인 샤프트와 타워 플랜지 등은 세계 점유율에서도 수년간 10%대를 차지할 정도로 선전하고 있다. 한편 국내 1세대 풍력발전기 전문기업인 유니슨은 1999년 풍력발전산업에 진출해 국내 최초(영덕풍력) 및 최대(강원풍력)의 풍력발전단지를 조성한 국내 대표 풍력기업이다. 유니슨은 2016년에 750kW급 기어리스형(gearless) 풍력발전시스템과 2MW급을 선보였다. 유니슨의 750kW급 풍력발전기는 국내 최초로 국제 인증기관으로부터 2005년 설계인증, 2007년 형식인증을 획득한 바 있으며 전체 부품의 90% 이상을 국산화에 성공해 국내 풍력발전기의 국산화 시대를 열게 한 제품이다. 하지만, 국내 기업의 경우, 부품에 한정된 산업 구조로는 중소·중견기업과 대기업의 동반 성장 산업 생태계의 조성에 한계가 있으며, 국내 풍력터빈 제조사들이 진입할 수 있는 해외 시장 조성이 시급한 상황이다.


한국형 풍력발전시스템 개발·사업화 필요

강력한 서플라이체인 구축, 해외진출 모색



3) 세계풍력시장규모 및 전망

세계 신재생에너지 수요는 불과 10년 전 23.3GW에서 연평균 20%씩 성장하여 2013년 120GW로 증가하였고, 특히 풍력산업은 향후 2030년까지 연간 60GW, 총 1,000GW 규모의 시장으로 성장할 것으로 전망된다. 해상풍력의 경우 지속해서 성장세를 타고 있는 블루오션으로 연평균 18%씩 성장하여 2020년까지 총 37GW가 설치될 전망이다. 현재 풍력산업은 북미와 유럽, 중국 시장을 중심으로 시장이 형성되어 있고, 최근에는 중동과 중남미 지역이 괄목할 성장세를 보인다. 국내 풍력 경쟁력은 2011년 기준, 기술 역량 6위, 산업화 역량 26위, 정부의 정책의지 13위 등 독일, 중국, 덴마크, 일본, 미국, 노르웨이 등에 비해 낙후되어 있어, 조선·해양 강국으로의 재도약 및 해상풍력산업을 주도하기 위해서는 정부의 지원정책 및 사업화 지원이 필요하다. 세계 최대의 해상풍력 국가인 영국은 2020년까지 전체 전력의 25%를 해상풍력으로 공급할 계획이며, 초기 시장을 주도하던 덴마크는 국가 전력수요의 24%를 해상풍력으로 공급하기 위해 로드맵을 마련했다. 또한, 중국은 2010년 상하이에 아시아 최초의 해상풍력발전소를 전면 가동한 데 이어 2020년까지 장쑤성(江蘇省), 산둥성(山東省), 저장성(浙江省)에도 대형 해상풍력단지를 건설할 예정이다. 세계풍력시장은 2011년 전후의 단기 침체를 극복하고 아시아(중국 등) 시장의 성장세로 지속적 성장이 예상된다. 미국의 투자세액공제 등 지원정책의 기한 만료와 유럽발(發) 금융위기로 인해 풍력에 대한 투자가 감소하였다가 2014년부터 회복 중이다. 특히 아시아 시장 중 중국시장의 폭발적 성장으로 전체 풍력시장이 활성화되고 있다.

향후 중대형 및 초대형 풍력발전시장은 해상풍력시장에서 형성될 것으로 예상된다. 주요 수요시장은 아시아 시장 중에서 중국, 일본 및 인도가 될 것이다. 최근 들어 중국 시장은 매년 22% 성장이 예상되어 가장 큰 시장으로 성장하며 2020년까지 30GW의 해상풍력을 설치하여 메인 샤프트 시장은 약 9억 불 규모로 추산된다. 일본은 2014년 이후 해상풍력에 정부투자가 대폭 증가하여 2030년까지 30GW의 해상풍력이 설치될 예정이며 약 2.7억 불의 시장으로 성장할 것으로 전망된다.

한편, 인도는 풍력 5위권의 국가로 현재는 육상풍력 위주이나 해상풍력에 대한 정책을 2015년 발표하여 주요 시장으로 떠오를 가능성이 있어 시장 선점의 필요성이 대두되고 있다. 최근 들어 아시아뿐만 아니라 전 세계적으로 풍력터빈은 2~3MW급이 주력이지만 향후, 4MW급 이상이 중심이 될 것으로 예상된다. 세계풍력 시장은 2013~2014년 일시적인 침체를 극복하고 2015년 매우 높은 성장을 기록하였다. 2014년 미국의 풍력 투자세액공제, 생산전력세금공제의 지원중단이 예정되어 풍력시장이 침체되었고 당시 유럽의 경제위기로 인해 신재생 에너지 투자액 축소로 풍력시장이 침체되었다. 2014년까지 누적 설치분 369GW에서 2015년 63GW가 설치되어 432GW를 보유, 2015년은 2014년 비해 4% 증가하였다. 중국시장은 매년 22% 성장하여 풍력 시장 전체의 성장세를 이끌고 있다. 중국은 2015년 30.8GW의 신규 설치를 기록하여 세계 신규 설치량의 약 60%를 차지하였다. 인도 시장은 2.6GW를 2015년에 설치하여 중국을 제외하고 세계에서 가장 많은 설치량을 기록하고 있어 상승세가 유지되고 있다.
아시아 지역은 최근 5년간 가장 큰 풍력설치 지역이다. 즉, 2015년부터 2020년까지 가장 큰 설치 예정 지역이 아시아 지역이며, 전체의 약 60~70%를 아시아 지역에서 설치할 예정이다. 특히, 중국, 인도, 일본, 한국이 대표적인 아시아 지역의 풍력 설치 예정 지역이다. 아시아 지역은 누적 설치량 기준으로 2015년 유럽지역을 넘어 1위 지역으로 성장하였다. 유럽지역이 풍력설치를 초기부터 시작하였으나 현재 아시아 지역이 아시아 국가들의 높은 성장과 중국의 급속한 성장을 기반으로 세계 최대 설치 지역이 되었다. 2020년 기준으로 북미와 유럽지역의 합계와 아시아 지역이 비슷하여 세계 시장의 50%이상을 점유하며 가장 중요한 풍력 시장이 될 것으로 보인다.

세계 풍력시장은 2016년 이후 지속적으로 성장하여 2020년 누적 설치 용량은 약 800GW에 달할 것으로 전망된다. 신규 설치 비중은 점차 줄어들어 성장률은 2020년 기준 11.2% 정도 될 것으로 예측된다. 2020년 설치용량은 79.7GW로 2016년 64GW보다 증가할 것으로 예상된다.

해상풍력 시장은 2015년 급격한 성장을 하여 세계 신규 설치 용량이 3.4GW로 나타난다. 2015년 설치 용량의 약 90%는 유럽지역에 설치된 것으로 조사된다. 전체 해상풍력 용량 중 약 9%가 중국에 설치되었으며 한국과 일본이 나머지를 차지한다. 해상풍력은 2011년 대비 2015년 약 3배 증가하여 높은 성장을 지속하고 있다. 2015년 신규 설치 용량 3.4GW는 2011~2013년 3년간 설치된 용량보다 더 큰 수치이다. 세계 해상풍력 시장은 영국을 필두로, 독일, 덴마크, 중국이 주도하고 있다. 영국은 현재 세계 최대의 해상 풍력시장으로 세계 설치 용량의 40%를 보유하고 있다. 독일은 2015년 설치용량 증가 1위를 기록하였고, 중국은 아시아 지역에서 가장 많은 설치용량을 보유하고 있다.

최근 들어 해상풍력의 성장세는 육상풍력대비 매우 높다. 육상풍력이 5년간 평균 17% 성장하였으나 해상풍력은 31% 성장하여 약 2배에 가까운 성장을 기록하고 있다. 영국은 2020년까지 10GW의 해상풍력을 설치할 것이라는 계획을 기후 에너지부(Department of Energy Climate Change) 장관인 엠버 루드(Amber Rudd)가 2015년 12월 발표하였다. 독일은 2015년 2.2GW의 해상풍력을 설치하여 기존의 설치 대비 신규 설치 용량이 3.2배로 증가하였으며 규모 또한 2025년까지 11GW를 설치할 것이라고 발표하였다.

4) 기업현황

중국을 중심으로 아시아와 북미 시장의 성장이 빠르게 진행될 전망인데, 풍력발전기 주요 제조업체로는 Vestas, Gamesa, Eneron, Siemens 등 유럽기업과 GE Wind (미국), Suzlon(인도), Goldwind & Sinovel(중국), Mitsubishi(일본) 등으로 주요 12개 업체 시장점유율이 95% 수준이다. 국외 기업현황은 중복을 피하고자 아래 국외 선도기업 항목에 첨언한다.

■ 국내외 선도기업

1) 국내 선도기업

효성은 해상용 5MW 발전시스템 개발과 상용화에 주력하고 있다. 두산중공업의 경우 제주도 앞바다에 설치한 3MW급 해상풍력발전시스템 시운전을 완료하고 3MW 정격출력에 성공하였다. 삼성중공업은 2012년 영국의 스코틀랜드 메틸(Methil) 해안에 세계에서 가장 큰 용량인 7MW 해상풍력발전기 설치를 위한 MOU를 체결하는 등 의욕적으로 풍력발전 산업에 뛰어들었다가 지금은 답보상태이다. 현대중공업은 5.5MW 풍력발전기를 제주도에 설치하여 운전 중이지만, 두 회사는 최근에 풍력발전 파트를 대폭 축소 운영 중이다. 한편 유니슨은 2016년에 750kW급 기어리스형 풍력발전시스템과 2MW급을 선보였다. 중국의 저가 공세에 직면하여 ㈜태웅, 현진소재 등을 필두로 하는 풍력발전 부품회사들은 늘어나는 해상풍력발전용 부품의 니즈에 발맞추어 고품질 및 가격경쟁력 확보에 주력하고 있다.

2) 해외 선도기업

해외 선진기업의 경우, 해상풍력발전시스템의 대용량화를 실현하기 위해 에너지획득 비용을 낮추는 시스템의 고효율화와 경량화 기술을 개발 중이다. 세계 최대 풍력발전시스템 제조사인 덴마크 Vestas와 일본 Mitsubishi의 합작사인 MHI Vestas Offshore Wind는 현재 덴마크 제2 도시 오르후스(Aarhus)의 시험센터에 세계 최대 규모인 8MW급, 날개 지름 164m의 해상풍력발전시스템을 시험 설치 운영 중이다. 노르웨이의 StatoilHydro사는 수심이 200m~300m 되는 곳에 부유식 해상풍력발전시스템 “HYWIND” 시제품을 2009년부터 노르웨이 인근에 설치 운영하는 등 블레이드의 대형화에 따라 더욱 넓은 지역에 설치할 수 있는 부유식 풍력발전시스템의 연구를 진행 중이다. 5~6MW급의 대형 풍력발전시스템의 시제품을 Enercon, RePower, Multibrid, Bard 등이 개발하여 운전 중이며, 영국 등의 해상풍력 프로젝트에 채용될 예정이다. 유럽에서 실시 중인 풍력발전 프로젝트 “UpWind”에서는 10MW급의 초대형 해상풍력발전시스템의 개발이 진행되고 있다. 풍력시장 선도기업들은 로터, 블레이드, 컨트롤러 등 발전기 핵심부품에 대한 내부 제조역량을 확보하기 위한 수직계열화를 강화하고 있다. Mitsubishi와 Gamesa, Suzlon은 로터·블레이드에서 타워까지 일괄 생산 방식을 채택하고 있으며, Vestas, GE Wind 등은 로터·블레이드, 발전기 등 핵심부품에 주력하고 있다.

■ 미래의 연구방향

최근 들어 풍력발전은 유럽, 아시아 및 북중미를 중심으로 육상풍력에서 해상풍력으로 무게중심이 이동하고 있다. 따라서 미래의 풍력발전 전망 및 연구를 논할 때 해상풍력발전을 언급하지 않으면 의미가 없어진다. 해상풍력의 경우, 우리나라가 세계적인 경쟁력을 가지고 있는 조선, 중공업, 해양플랜트, 건설/토목, 전기, IT 등 연관 산업과 융합 시 빠른 시일에 세계시장을 선점할 수 있는 산업으로서 미래 먹거리로 안성맞춤이다. 단, 해상풍력 선진국보다 턱없이 부족한 트렉 레코딩(track recording)과 정부를 중심으로 산·학·연·관이 혼연일체가 되어 핵심부품 별 국산화 및 인증, 평가 기술 확보 등을 통해 내수시장 국산화뿐만 아니라 해외진출을 위한 교두보를 마련해야 한다.

미래에는 LCOE(에너지균등화비율, 총투자비용/총발전량) 저감을 위한 풍력발전의 대용량화 기술과 독자적 터빈지지구조 형식, 시공기술 및 운영 기술 등의 원천기술 확보, 핵심부품 국산화를 통한 해외 선도업체와의 기술 격차를 해소해야 한다. 더불어 한국형 풍력발전시스템 개발을 위한 연구개발과 실증단지 및 기 구축된 풍력 테스트베드 등을 활용한 트랙 레코드 축적이 절실한 시점이다.

풍력산업은 미래 저탄소 녹색성장의 주력산업으로서, 중공업 분야의 확장 산업이라는 특성과 핵심 요소기술에 대한 서플라이 체인(supply chain)의 수직 계열화가 요구되는 산업 특성이 있다. 향후에는 대용량화(회전자 직경 120m 이상)와 해상 풍력발전기술 개발 및 연구에 집중될 전망이다.

■ 정책 제언

현재 국내 풍력발전사의 어려운 상황 및 산업기반 저하와 맞물려 풍력부품 제조업체도 어려움에 직면하고 있다. 이제까지 국내 풍력발전사는 각기 독자적인 방식으로 시장적기 진입(Time to Market)과 수요가 적은 국내시장을 중심으로 경쟁이 과다한 측면이 있었다. 보이는 성과에만 집중하다 보니 오히려 해외 유수의 풍력 발전사에서는 높이 평가하는 국내 풍력 부품 제조업체를 배제하는 등의 국내 서플라이 체인구축에 소홀하였다. 이는 국산화율 저조로 이어져 국가 경쟁력이 떨어진 측면도 있음을 부인할 수 없다. 그런 와중에 ㈜태웅, 현진소재 등 자유단조 회사 및 가공업체를 중심으로 풍력발전기용 각종 베어링류, 타워, 타워 플랜지 및 주축 등의 대형단조부품이 해외 유수 풍력발전사의 주문에 의해 활발히 수출된 것은 주목할 만하다. 그럼에도 불구하고 국내풍력발전기 국산화 제품을 수출효자산업으로 더욱 육성하기 위해서는 국내 풍력발전사와의 연계를 통한 정부의 지속적인 지원과 관심이 절실하다. 정부지원 및 자체개발에 의해 기 개발된 각각의 핵심부품 및 여타 국산부품을 적극적으로 적용한 한국형풍력발전시스템의 개발 및 사업화가 이루어져야 한다. 이를 위해 관련 국내 산·학·연·관이 중앙정부 혹은 지자체의 적극적인 지원을 기반으로 국내 풍력발전사를 중심으로 마치 국내원전의 한국형 원자력발전기의 경우와 같은 강력한 서플라이 체인을 구축해야 한다. 또한, 국내의 풍력산업은 여전히 트랙 레코드 문제가 해결되지 않고 있으며, 이로 인해 국내 기업들의 해외진출이 계속해서 답보 상태이다. 트랙 레코드 확보가 지연되면서 선진 경쟁기업과의 기술격차 및 구매경쟁력 차이가 더욱 벌어지고 있는 심각한 상황임으로 빠른 시일에 대규모 해상풍력발전단지 건설 및 운영이 선행되어야 한다. 그리고 대형풍력발전 핵심기술에 대한 국가 연구개발, 실증·인증 사이트 구축 등 기술경쟁력 향상을 위한 적극적인 정부지원이 매우 시급하다. 해상풍력은 신재생에너지 중 그리드 패리티(grid parity) 그리드 패리티(grid parity)에 가장 근접해 있고, 국내의 기계, 조선, 해양플랜트 인프라와 연계하여 시너지를 높일 수 있는 안성맞춤의 산업이므로 상기에 언급한 제언을 정책적으로 반영한다면 부품 국산화를 통한 한국형 풍력발전시스템 상용화, 실증·인증 사이트 구축을 통한 Track record 확보 등이 이루어질 것으로 생각한다. 한국형 풍력발전시스템의 확보를 위해서는 시스템 외에도 주요 구성품의 국산화율을 제고하는 한편, 원가절감 및 품질 향상을 위한 지속적인 기술개발이 필수적이다.
<표 3-2-2-6>2014-2015년 세계 풍력 설치량
<표 3-2-2-7>2014-2015년 아시아 풍력 설치량
<그림 3-2-2-20>지역별 연간 풍력 예상 설치량(2015-2020년)
<그림 3-2-2-21>세계 풍력시장 현황(2015년) 및 예측(2016-2020년)
<그림 3-2-2-22>연간 해상풍력 누적 설치량(2011-2015년)
<그림 3-2-2-23>세계 누적 해상풍력 설치량

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